Вселенная на ладони

Стюарт Колин

Гершель и инфракрасный свет

В 1800 году Гершель сделал открытие, которое, возможно, имело даже большее значение, чем обнаружение новой планеты: он открыл совершенно новую форму света. Так же, как и Ньютон более ста лет назад, Гершель экспериментировал с призмами. Он заподозрил, что между цветом и температурой имеется какая-то связь. Поэтому он пропустил солнечный свет сквозь призму, разложив термометры в тех местах, куда падали различные по цвету спектры света, производимые призмой. В итоге ученый обнаружил, что самая высокая температура отмечается в красном конце спектра. Но затем Гершель сделал нечто необычное: он подвинул термометр еще дальше, мимо красного спектра, в

то место, где, казалось, вообще не должно было быть света. Однако в этой области его термометр зафиксировал еще более высокую температуру, чем в какой-либо цветовой области спектра.

Гершель пришел к выводу, что за пределами красного конца спектра света должны быть какие-то «тепловые лучи». Его дальнейшие эксперименты с этими лучами показали, что эти части света ведут себя точно так же, как и обычные световые лучи. Сегодня мы знаем эти «тепловые лучи» как инфракрасное излучение. Это невидимый глазу свет, излучаемый теплыми объектами – именно по этой причине современные инфракрасные камеры используются для улавливания признаков теплового излучения при полицейской погоне, на полях сражений и зонах бедствий.

Открытие Гершеля стало первым указанием на существование света за пределами видимости нашего глаза. Точно так же, как существуют звуки со слишком низкой или слишком высокой для нашего слуха частотой, из-за чего мы их не можем воспринять, существует и свет со слишком низкой или слишком высокой для нашего зрения частотой, чтобы мы могли его видеть. В современной физике полный спектр световых частот называется спектром электромагнитного излучения. Он начинается от радио- и микроволн низкочастотного конца спектра и, продолжаясь в инфракрасной и видимой полосе света, заканчивается ультрафиолетовым светом, рентгеновскими и гамма-лучами. Астроном назвал бы все это просто светом.

Все первые телескопы были чувствительны к тому свету, который способен видеть наш глаз, – видимому свету. Однако в распоряжении современных астрономов имеется целый набор телескопов, улавливающих свет всех частот, начиная от радиоволн и заканчивая гамма-лучами. Если бы мы ограничились только видимым светом, мы пропустили бы огромное количество информации, поступающей на Землю из космоса.

Когда в 2009 году Европейское космическое агентство запустило самый крупный из когда-либо существовавших инфракрасный космический телескоп, ему было присвоено имя «Гершель» в знак признательности и в честь величайшего открытия, сделанного этим ученым.

Открытие Нептуна

Если открытие Урана сделано случайно, после того как на него непреднамеренно натолкнулись, то Нептун был открыт в результате целенаправленных поисков. Тщательно изучая орбиту Урана в течение всего десятилетия после его открытия, астрономы установили некоторые нестыковки. Планета не всегда находилась в той точке, в которой должна была находиться в соответствии с уравнениями Кеплера и Ньютона.

Но очень быстро стало ясно, что ошибок в законах нет. То, что наблюдали астрономы, было следствием существования какой-то другой, более отдаленной планеты, которая оказывала воздействие на орбиту Урана. Когда Уран приближается к этой неизвестной и невидимой планете, он притягивается к ней, и его движение ускоряется. Как только Уран проходит мимо этой планеты, она старается притянуть его обратно, и он начинает немного замедляться.

Французский математик Урбен Леверье на основе уравнений Кеплера и Ньютона вычислил предполагаемое местоположение, в котором должна находиться невидимая планета, искажающая орбиту Урана. После Леверье отправил свои вычисления немецкому астроному Иоганну Галле в Берлин, а тот направил свой телескоп в то самое место на небосклоне, о котором сообщал Леверье. Он обнаружил там планету Нептун, дожидающуюся своего открытия (она находилась в пределах

одного градуса от того места, на которое указал Леверье). При ретроспективном взгляде оказалось, что, так же как и Уран, Нептун был несколько раз замечен до этого (в том числе и Галилеем), но из-за небольшой скорости движения его трудно было отличить от неподвижной звезды.

Эйнштейн и теория относительности

Самое знаменитое уравнение во всей науке, звучащее как E = mc², появилось на свет в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн опубликовал свою специальную теорию относительности. Эта теория гласит, что энергия (Е) эквивалентна массе (m).

Для того чтобы узнать, как много энергии заключено в объекте, нужно умножить его массу на скорость света (с), возведенную в квадрат.

Тот год стал свидетелем настоящего рассвета творчества Эйнштейна – он опубликовал еще две работы, каждая из которых являлась поворотной для науки. Одна из них впоследствии в 1921 году принесет ему Нобелевскую премию в области физики за открытие того, что свет состоит из частиц, называющихся фотонами. Открытия Эйнштейна кажутся особенно удивительными, если учесть, что он на тот момент был академическим аутсайдером и работал в должности патентного служащего в Берне в Швейцарии.

Теория относительности продвигает работу Оле Рёмера в области природы света на шаг вперед. Эйнштейн утверждал, что скорость света конечна, и эта скорость также является предельной во всем космическом пространстве.

Эта идея естественным образом вытекает из уравнения Е = mc². Чем быстрее движется объект, тем больше его энергия. Но из этого уравнения следует, что чем больше энергия, тем больше масса. Объектам с большей массой труднее передвигаться, поэтому они требуют и большей энергии для своего ускорения. Двигаясь еще быстрее, они становятся еще тяжелее. В итоге быстро двигающиеся объекты становятся настолько тяжелыми, что им понадобится бесконечное количество энергии, чтобы ускориться еще хоть немного. Эта предельная величина является скоростью света.

Эйнштейн и общая теория относительности

Не довольствуясь только тем, что он одарил мир своей специальной теорией относительности, в 1915 году Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности. Этой работой ученый революционизировал наше представление о гравитации.

Ньютон рассматривал гравитацию как всеобщее тяготение, распространяемое массивными объектами по всей Вселенной. Согласно его взглядам, в этом и состояла причина того, что Земля вращается вокруг Солнца. В отличие от Ньютона, Эйнштейн предполагал, что Земля вращается из-за того, что Солнце меняет форму окружающего его пространства. Эйнштейн объединил три измерения пространства и одно измерение времени в единую четырехмерную структуру, назвав ее пространством-временем, которое, по его утверждению, искривляется под воздействием массивных объектов.

Эйнштейн утверждал, что массивные объекты искривляют четырехмерную структуру, называемую пространство-время, и что это приводит к отклонению света, идущего от далеких звезд

Классическим способом представления этого пространства-времени является представление его в виде простыни с хорошо закрепленными концами. Если в центр простыни положить шар для боулинга, который будет представлять солнце, простыня прогнется, образуя углубление – или колодец – в центре. Возьмем теннисный мяч, который будет изображать Землю, покатим его вокруг края колодца, и он будет вращаться вокруг шара для боулинга.